Chromatographische Trennverfahren leicht erklärt

Wer keine Pilze im Salat mag, schiebt sie auf den Tellerrand. Wenn doch nur alles so einfach zu trennen wäre. Bei chemischen Stoffgemischen ist das nicht immer so leicht!

Gut, wenn Sie jetzt schon einmal etwas von Chromatographie gehört haben. Mit dieser Trennmethode lassen sich in Labor, Analytik und Produktion Stoffgemische in ihre einzelnen Komponenten auftrennen. Das Verfahren nutzt aus, dass die im Stoffgemisch enthaltenen Moleküle unterschiedlich ausgeprägte Wechselwirkungen mit einer mobilen und einer stationären Phase eingehen. Wenn Sie noch mehr über dieses physikalisch-chemische Prinzip wissen wollen, schauen Sie auch hier vorbei!  

Je nachdem welche Substanzen Sie aus einem Stoffgemisch abtrennen möchten, wofür Sie die Trennung anwenden und wie genau Ihre Trennergebnisse sein sollen, haben Sie die Möglichkeit unter verschiedenen chromatographischen Trennverfahren zu wählen.

Einige wichtige chromatographische Methoden im Überblick: 

1. Papierchromatographie
2. Dünnschichtchromatographie
3. Säulenchromatographie bzw. Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) und UHPLC = Ultra-High-Performance-LC 
4. Gaschromatographie

Diese vier chromatographischen Verfahren nutzen den Effekt der Adsorption – das heißt, hier lagern sich Molelüle aus Flüssigkeiten oder Gasen an eine feste Oberfläche an.  

Um unterschiedliche Bestandteile eines Substanzgemisches voneinander zu trennen, existieren aber auch noch weitere Verfahren. Möchten Sie zum Beispiel eine Wasserreinigung durchführen, steht Ihnen auch die Ionenaustauschchromatographie zur Verfügung: ein Ionenaustauscher als stationäre Phase bindet Anionen oder Kationen an sich. Auch hier greift das Prinzip der Adsorption. 

Immer wichtiger wird auch die Aufreinigung von Biomolekülen: Mit der Affinitätschromatographie lassen sich Nukleinsäuren, Proteine, Blut aus Stoffgemischen abtrennen. Die stationäre Phase besteht aus einem spezifischen, hochaffinen Liganden der abzutrennenden Substanz. Über die Gelchromatographie (auch Molekularsiebchromatographie) lassen sich Proteingemische ebenfalls aufreinigen.

Chromatographische Trennverfahren im Detail – Sie haben die Wahl 

Methode 1: Papierchromatographie – Für alle, die es gern einfach haben 

Kaum eine Schülerin oder ein Schüler, die dieses Trennverfahren für die Farbstoff-Zusammensetzung verschiedener Filzstift-Tinten nicht aus dem Chemieunterricht kennen. Was im Unterricht schön aussieht, wenn sich die Tinte in ihre einzelnen farbigen Bestandteile auftrennt, wird im Labor oft zum Nachweis kleinster Stoffmengen eingesetzt.  

Als stationäre Phase dienen hier in der Regel spezielle Chromatographiepapiere aus Baumwollcellulose, die sich hinsichtlich Saugfähigkeit, Papierstärke und -masse unterscheiden. Als mobile Phase (Lauf- oder Fließmittel) können Sie reine organische Lösungsmittel oder auch Gemische davon einsetzen. Abhängig von den zu trennenden Substanzen ist es oft nötig, die Polarität des Fließmittels zu verändern. Steuern können Sie dies über das Mischungsverhältnis. 

Je nach Fließrichtung des Laufmittels spricht man von aufsteigender, absteigender oder zirkularer Papierchromatographie. Bei der aufsteigenden Variante wird das Stoffgemisch auf die stationäre Phase, also das Chromatographiepapier, aufgebracht. Aber Achtung: Für große Stoffmengen eignet sich das nicht! Auftrennen können Sie hier in etwa 5 bis 50 Mikrogramm.  

Stellen Sie das Papier so in ein Gefäß mit Lösungsmittel, dass das zu trennende Gemisch zunächst nicht mit der mobilen Phase in Berührung kommt. Das Laufmittel steigt nun durch Kapillarwirkung des Papiers nach oben und nimmt dabei die verschiedenen Substanzen – je nach ihrer Polarität – unterschiedlich weit mit. Ein Chromatogramm mit verschiedenen Substanzflecken entsteht. 

Methode 2: Dünnschichtchromatographie – Hohe Nachweisempfindlichkeit, geringer Aufwand 

Die Dünnschichtchromatographie (DC) ermöglicht schnelle Ergebnisse mit geringem Aufwand und funktioniert im Prinzip genauso wie die Papierchromatographie. Als stationäre Phase werden allerdings feinkörnige Materialien wie Cellulose, Kieselgel, Kieselgur oder Aluminiumoxid verwendet. Sie sind auf dünne Platten aus Kunststoff, Aluminium oder Glas aufgetragen. Als Fließmittel werden oft Gemische unpolarer Lösungsmittel mit mäßig polaren Lösungsmitteln wie zum Beispiel Petrolether und Essigsäureethylester genutzt. Man spricht in diesem Fall von Normalphasen-DC. Verwenden Sie dagegen polare Laufmittel wie etwa Acetonitril und Wasser, nennt sich das chromatographische Trennverfahren Umkehrphasen-DC.  

Bevor Sie loslegen, müssen Sie das Substanzgemisch zunächst in einem geeigneten Lösungsmittel lösen und dann mit einer dünnen Kapillare punktförmig auf die Trägerplatte auftragen. Anschließend wird die Platte in ein Gefäß mit Laufmittel gestellt. Schließen Sie das Gefäß mit einem Deckel! So vermeiden Sie Verdunstung und damit verfälschte Ergebnisse. 

Sie sehen, dass Sie nichts sehen? Kein Problem: Fast alle organischen Verbindungen lassen sich nach der Trennung mit Hilfe von UV-Licht oder Sprühreagenzien (Ninhydrin, Silbernitrat/Ammoniak, Säure-Base-Indikatoren etc.) sichtbar machen.

Methode 3: Säulenchromatographie (LC) bzw. Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC) und UHPLC = Ultra-High-Performance-LC – Große Stoffmengen schnell und quantitativ getrennt 

Für dieses chromatographische Trennverfahren wird das Material der stationären Phase in eine Säule gepackt. Das können Glas- oder auch Edelstahlsäulen (für HPLC und UPHLC) sein. Die mobile Phase wird mittels Druckes durch das Säulenmaterial gepresst. Die Substanzen mit der höchsten Fließgeschwindigkeit treten am schnellsten aus der Säule aus und können – getrennt voneinander - aufgefangen werden.  

Wenn Ihnen die klassische Säulenchromatographie für die Trennung Ihres Substanzgemisches noch nicht ausreicht, dann steht Ihnen auch die modernen HPLC- und UHPLC-Anwendung zur Verfügung. Allerdings ist hierfür ein größerer apparativer Aufwand nötig. Die Edelstahlsäulen der HPLC- und UHPLC-Chromatographie werden mit besonders kleinen Teilchen gepackt – das erhöht die Trennleistung (daher der Ausdruck: High Performance Liquid Chromatography). Damit das Laufmittel durch die Säule fließt, muss Sie es mit großem Druck durch die Säule gepresst werden. Dafür benötigen Sie ein modernes HPLC- oder UHPLC-Gerät, die Ihnen in großer Bandbreite zur Verfügung stehen. Eine umfangreiche Marktübersicht HPLC/UHPLC-Systeme hilft bei der Auswahl des geeigneten Set-ups. Neben Pumpe und Säule enthalten moderne Geräte einen Detektor, der die aufzutrennende Probe in Kurven und Chromatogrammen sichtbar macht.  

Methode 4: Gaschromatographie – Machen Sie Ihrer Probe mal ordentlich Dampf! 

Im Gegensatz zu den drei vorgenannten Trennverfahren, nutzt die Gaschromatographie ein Inertgas als mobile Phase – zum Beispiel Helium, Argon oder Stickstoff. Mit dieser Methode können Sie daher nur Substanzgemische trennen, bei denen alle Stoffe gasförmig sind oder unzersetzt in die Gasphase gebracht werden können. Die stationäre Phase, ein Feststoff oder ein Gas, liegt in einem spiralförmigen Rohr vor. Die Trennung der Komponenten Ihres Stoffgemisches erfolgt hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte.   

Auch das spezifische Verhalten hinsichtlich Lösung oder Adsorption spielen eine Rolle. In Analyselaboren werden heute vor allem sehr feine Kapillarsäulen eingesetzt: Damit können Sie sogar Isomeren trennen, deren Siedepunkte sehr nah beieinander liegen.  

In der Gaschromatographie werden die einzelnen Bestandteile des Substanzgemischs, die die stationäre Phase mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchströmen, meist mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor erfasst. Auch die Kopplung an ein Massenspektrometer ist sinnvoll. Um auch hier das richtige Gerät auszuwählen, werfen Sie doch einmal einen Blick in die weltweit größte Marktübersicht für Massenspektrometer.